马斯克参与“拯救地球”！NASA发射人类首次行星防御测试任务

2021 年 11 月 25 日 学术头条

撰文：刘芳

编审：HS

排版：李雪薇

6600 万年前，一颗直径大约 10 公里的小行星飞速地穿过大气，在墨西哥尤卡坦半岛海岸（ Yucatán Peninsula）留下了一道巨大的伤疤。这次撞击引起了全球海啸和大火，恐龙也因此遭遇灭顶之灾。

行星撞地球一直是天文学家最关心的问题之一，也是好莱坞大片钟爱的题材。在“世界末日”（Armageddon）中，硬汉布鲁斯威利斯（Bruce Willis ）带领他的深海石油钻井团队在陨石上边挖洞边埋炸药包，最终还为了保卫地球而献出了生命。就在今天，NASA 将拯救地球的电影情节搬到了现实生活中。

DART 任务动画 | 视频来源：约翰霍普金斯应用物理实验室（ APL）

当地时间 11 月 23 日 1:21（北京时间 24 日下午 14:21） ，SpaceX 猎鹰 9 号火箭成功从加利福尼亚州范登堡太空部队基地（Vandenberg Space Force Base）发射升空，执行了“行星防御”演习任务。

这次演习被称为“双小行星偏转测试”（Double Asteroid Redirection Test，DART），预计耗资3.3亿美元。

演习由约翰霍普金斯应用物理实验室（APL)、喷气推进实验室（JPL）、戈达德太空飞行中心（GSFC）、约翰逊空间中心（JSC）、格伦研究中心（GRC）和兰利研究中心（LARC）共同完成。

NASA 表示，目标小行星 Dimorphos 对地球不构成威胁。但它的运行系统是一个近乎完美的试验场，可用来测试撞击小行星是否能有效地改变其运行轨道。虽然在接下来的 100 年里，没有一颗直径超过 140 米的小行星会撞击地球，但截至 2021 年 10 月，只有大约 40% 的小行星被人类发现。也就是说，还有更多的未知小行星在太空中环绕，而他们是否会和地球亲密接触也是一个未知数。

DART 任务示意图 | 图片来源：NASA

发射升空后，DART 将部署 Roll Out Solar Array(ROSA)，为电力推进系统提供所需的太阳能。同时它还将启动 NASA 研发的 Evolutionary Xenon Thruster – Commercial (NEXT-C) 太阳能电力推进系统，测试下一代离子发动机技术。

在飞行大约 10 个月后，火箭上所搭载的机器人探测器将在 2022 年末“壮烈牺牲”，一头撞向 Dimorphos 小行星。

在执行地球保卫战的前 10 天，机器人探测器将发射由意大利宇航局制造的Cubesat小型卫星，对这次演习进行全程记录。

在撞向目标的前 4 小时，探测器将进入完全自主模式，利用名为 Draco 的机载相机和复杂的自主导航软件以 6.6 公里/秒的速度朝目标呼啸而去。 这个速度比战斗机快 10 倍，所造成的撞击力足以在 Dimorphos 上留下一个直径 10 到 20 米的大坑。

NASA 预测，这次碰撞将让 Dimorphos 的运行速度改变百分之一，并让它的轨道周期产生数分钟的偏差。虽然改变只有几分钟，但科学家可以在地球上用先进的望远镜观察和测量。

DART 示意图 | 图片来源：NASA

除了这次 DART 演习所采用的撞击方法之外，科学家们还提出了很多其他的方法来解除小行星威胁。例如用激光把它们蒸发掉，利用航天器的引力改变它们的航线等，更狠的招儿还是用炸药把它们炸掉。

10 月 31 日，Philip Lubin 和 Alexander Cohen向journal Advances in Space Research 提交了一篇长达 131 页的论文，被称为 行星攻击之 π 计划 。

π 计划的主要构想是将直径 10-30 厘米，装满炸药的圆柱形金属棒设置在小行星的轨道上。当小行星以极快的速度撞击它们时，便会被炸成大量直径约 10 米或更小的碎片。爆炸所产生的能量将被转化为热、声和光。届时，大气层会像防弹衣一样蒸发碎片，减少影响。Philip Lubin 预估，爆炸所产生的声波冲击波和相关的光和热仍然会对地面造成一些损害，但微乎其微。最重要的是和“行星防御”计划相比，π 计划在应对紧急情况时更有优势：“ 偏转小行星的问题是，它需要的响应时间非常受限。换句话说，你需要在小行星接近地球很久之前就把它的轨道偏移。”

相比之下，π 计划所需的相应时间则短的多。根据作者的计算，直径小于 50 米的小行星可以在撞击地球前 5 小时被成功拦截。直径小于 100 米的小行星可以在撞击地球前一天被拦截。直径小于 370 米的小行星可以在撞击地球前 10 天被拦截。而直径 20 米以下的小行星在撞击地球前 100 秒就可以搞定了。

将要壮烈牺牲的机器人探测器 | 图片来源：NASA

在过去的一百多年里，地球曾受到过数次小行星的撞击，但所幸都没有造成重大人员伤亡。

最近的一次陨星坠落事件发生在我们的邻国俄罗斯。 2013 年 2 月 15 日 ，一颗直径约19 米的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克市（Chelyabinsk）上空以 20° 的浅角和约65000 km/h（53 倍音速）的速度突破大气层。最终在剧烈燃烧了约 30 秒后在距离地面 20-25 公里处的高空解体爆炸。巨大的能量传达到地面，导致方圆数千平方公里的7000余座建筑物受损，因此受伤的民众多达 1500-2000 余人。

chelyabinsk event | 图片来源：纽约时报

天文学家预测，2029 年 4 月 13 日，一颗名为 Apophis 的直径为 370 米宽的小行星将与地球擦身而过。2036 年、2051 年、2066 年它将再次和地球亲密接触。

虽然在 2029 年地球不会有任何危险，但 Apophis 一次次的光顾还是让很多天文学家捏一把汗。Philip Lubin 甚至将其比喻为一颗在头顶飞啸而过的子弹。不同的是，这颗“子弹”携带的撞击能量相当于世界上所有核武库的总和。

更重要的是，天文学家认为 Apophis 这类的小行星会构成“引力钥匙孔”威胁（gravitational keyhole）。

这是指在近距离飞行期间，它们可能会穿越近地空间的一个特定的区域。在那里，地球引力会调整它们的轨迹，从而导致未来与地球的撞击。因此不论是 DART 演习的防御方法，还是 π 计划的攻击方式，尽早对小行星带来的威胁做好万全准备总不是一件坏事。

毕竟地球是人类和万物共同的家园。

参考资料：
https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart
https://phys.org/news/2021-10-physicists-method-defending-earth-cosmic.html
https://www.deepspace.ucsb.edu/projects/pi-terminal-planetary-defense
https://www.scientificamerican.com/article/planetary-defense-is-good-but-is-planetary-offense-better/
https://www.deepspace.ucsb.edu/wp-content/uploads/2021/10/PI-Terminal-Planetary-Defense.pdf
https://www.science.org/content/article/nasa-s-first-planetary-defense-mission-will-nudge-asteroid

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